曾凡偉, 孫軍平, 房 棟, 黃曉紅

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司, 山東 青島 266031）

橡膠模型制品氣泡問題的案例分析與解決方法

曾凡偉, 孫軍平, 房 棟, 黃曉紅

（中國中車 青島四方車輛研究所有限公司, 山東 青島 266031）

分析了橡膠模型制品出現(xiàn)氣泡的原因，并對膠料配方、生產(chǎn)環(huán)境、硫化參數(shù)、脫氣參數(shù)、模具結(jié)構(gòu)、膠料用量及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等影響氣泡產(chǎn)生的因素進(jìn)行了詳細(xì)論述，并以生產(chǎn)中常見的氣泡現(xiàn)象為例進(jìn)行了分析，提出了有效的解決方案，以此提供若干解決氣泡問題的思路與方法。

橡膠厚制品；脫氣參數(shù)；硫化模具；膠料用量；橡膠氣泡

0 前 言

橡膠中氣泡的形成與橡膠熔體內(nèi)的蒸氣壓力相對于外部壓力增大有關(guān)。當(dāng)橡膠熔體內(nèi)含有一些易揮發(fā)性物質(zhì)并處于過飽和狀態(tài)時,易揮發(fā)物的蒸氣壓力（內(nèi)壓）超過熔體的壓力（外壓）,就開始形成氣泡核。此時高的揮發(fā)分濃度、高的溫度、低的外部壓力、低的熔體表面張力、揮發(fā)物分子的高活動性及大量的成核劑,均有助于氣泡的生成。由于氣泡的內(nèi)壓與氣泡的尺寸成反比,氣體成核生成的小氣泡熟化后就會越過界面擴(kuò)散到大氣泡里,生成更大的氣泡,這一過程符合Ostwald熟化規(guī)律。當(dāng)內(nèi)外壓力達(dá)到平衡時,氣泡停止生長,氣體向成長中的氣泡內(nèi)擴(kuò)散與向橡膠表面的擴(kuò)散相競爭[1]。

氣體擴(kuò)散到熔體表面并在那里聚集,以此實現(xiàn)脫揮發(fā)分。橡膠表面聚集的氣體會通過模具的各排氣機構(gòu)從橡膠中溢出。氣體的遷移速度與熔體的黏度成反比,達(dá)到一定的硫化程度后,黏度增大就會使氣泡被限定在里面。通常揮發(fā)分的濃度是很低的,所以在硫化速度適宜且沒有包覆物的情況下,大部分的揮發(fā)分會從膠料中排出。

硫化完成后,未擴(kuò)散到表面的氣泡的尺寸基本固定,并被凍結(jié)在里面。產(chǎn)品出模后氣泡一方面通過冷凝的方式減小,另一方面揮發(fā)分的剩余壓力會通過氣體擴(kuò)散到零件表面,從而導(dǎo)致除熱縮以外的收縮,使系統(tǒng)達(dá)到平衡,這也是產(chǎn)生橡膠收縮率的一個重要因素。這可以解釋在高壓下硫化的彈性體和在低壓下硫化的彈性體具有相同的密度?？梢钥隙ǖ氖?脫去揮發(fā)分的膠料或在高壓下硫化的橡膠在開模后的收縮率較小。

在模具中,橡膠內(nèi)的氣泡擴(kuò)散、遷移方向如圖1所示[2]。由于模具分型面處的氣體可以及時溢出模具,造成該部位氣體濃度降低,產(chǎn)生了相對于內(nèi)部氣體的濃度梯度。根據(jù)Fick定律,這會使氣體不斷地向分型面處擴(kuò)散,直至氣體擴(kuò)散完。

圖1 橡膠中的氣泡擴(kuò)散示意圖

在最初膠料流動充模時,將模具型腔內(nèi)部的空氣不斷趕至分型面處并擠出；膠料溢出到合?？p后,氣體向外溢出的阻力增大,此時借助合模后的泄壓排氣又將大部分聚集的氣體排出；合模硫化后,硫化的前期膠料中吸附的濕氣、卷入內(nèi)部的空氣以及低閃點的操作油等按圖1所示的路徑緩慢遷移至分型面排出；硫化的中期、后期主要是硫化反應(yīng)產(chǎn)生的氣體,由于橡膠已經(jīng)部分交聯(lián),黏度增大,氣體擴(kuò)散的阻力進(jìn)一步增大,這部分氣體借助硫化時模內(nèi)的壓力升高,最終也會沿分型面排出；硫化完成,產(chǎn)品出模后外部壓力消除,此時橡膠內(nèi)部氣體相對于外部又產(chǎn)生了新的氣體濃度梯度,產(chǎn)品內(nèi)部殘余的氣體仍可以繼續(xù)向產(chǎn)品外部擴(kuò)散,直至達(dá)到平衡,最后殘余的微量氣體冷卻收縮消失。

在上述過程中,如果某一時刻生成的氣泡由于外界因素不能順利溢出,被交聯(lián)的橡膠鎖定在內(nèi)部或表面,就會產(chǎn)生不可恢復(fù)的缺陷,也就是氣泡缺陷。橡膠硫化生產(chǎn)中產(chǎn)生氣泡的現(xiàn)象非常多見,厚制品的硫化更易出現(xiàn)氣泡。氣泡的出現(xiàn)嚴(yán)重影響制品的外觀及性能,造成合格率的下降。氣泡只是一個表觀現(xiàn)象,具體的解決方案需要根據(jù)產(chǎn)生氣泡的原因而定。產(chǎn)品出現(xiàn)氣泡的原因多種多樣,下面介紹幾種常見的產(chǎn)生氣泡的原因及解決方案。

1 問題分析與解決方案

1.1 膠料配合不佳造成的氣泡

橡膠中揮發(fā)分的一個重要來源是橡膠配方設(shè)計時加入的組分。一方面,橡膠配方中含有低沸點和低閃點的低黏度增塑劑或操作油等組分,增塑劑分子量小于300時,就會在加工過程中汽化或一定溫度下與橡膠產(chǎn)生相分離,生成揮發(fā)分；另一方面,配合劑在硫化中反應(yīng)或分解也會產(chǎn)生揮發(fā)分,比如過氧化物硫化劑分解產(chǎn)生的酮類及醇類揮發(fā)分,氧化鋅與硬脂酸反應(yīng)的副產(chǎn)物中有水,氟橡膠硫化中也會產(chǎn)生大量揮發(fā)分等。除上述直接添加的組分會生成揮發(fā)分之外,膠料配方體系的性能也會影響氣泡的生成∶低黏度的膠料容易卷入氣體且不易排出；焦燒時間過短的膠料,迅速起硫后不利于氣體的排出；硫化速度過慢的膠料也容易產(chǎn)生氣泡；低硬度的膠料產(chǎn)生氣泡的可能性比高硬度的膠料更大。

圖2所示為兩種硬度混煉膠的橫截面孔隙狀態(tài),很明顯可以看出低硬度膠料的孔隙較多、較大,這主要是由于低硬度膠料模量低,卷入氣體后不易排出,相對而言也會卷入更多量的氣體。氣體受熱膨脹后,比高硬度膠料形成的氣泡更大,這就會增加硫化時產(chǎn)生氣泡的概率。

圖2 不同硬度膠料橫截面孔隙狀態(tài)

配方設(shè)計時防止氣泡產(chǎn)生的注意事項有∶

（1）確保原始配合劑和膠料里的揮發(fā)分濃度控制到最低水平；（2）膠料黏度應(yīng)配合至適當(dāng)高的水平；（3）保證焦燒時間滿足加工安全要求的前提下,硫化速度設(shè)計到盡可能高的水平；（4）生膠的塑煉時間應(yīng)盡量長,膠料的混煉溫度應(yīng)盡量高；（5）制定混煉工藝時,控制好膠料的分散均勻性很重要；（6）硫化體系的搭配要考慮盡量降低硫化反應(yīng)產(chǎn)生揮發(fā)分的可能[3]。

1.2 生產(chǎn)環(huán)境因素造成的氣泡

揮發(fā)分主要來源于環(huán)境中。一方面,環(huán)境中的濕氣會吸附于填料中生成揮發(fā)分,其中濕氣最可能的來源是填料,陶土、炭黑及白炭黑等填料都具有很強的吸水性,特別是液相法白炭黑的吸水可高達(dá)10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）；另一方面,膠料混煉、制坯、注壓及流動時,會吸入或由加工機械卷入空氣,亦會成為揮發(fā)分。

圖3 膠料經(jīng)歷熱歷程后的橫截面孔隙狀態(tài)

對于來源于環(huán)境中的揮發(fā)分,可采用對物料預(yù)先熱處理以脫除揮發(fā)分的方法解決,比如裝模之前烘烤膠料和骨架等。在圖3中,①為混煉膠的橫截面孔隙狀態(tài),②為混煉膠經(jīng)開煉機高溫（高于100 ℃）熱煉后的橫截面孔隙狀態(tài),③為熱煉膠料經(jīng)烘箱熱空氣高溫（90～100 ℃）烘烤后的橫截面孔隙狀態(tài)。從圖3中膠料橫截面的孔隙狀態(tài)可以看出,由左至右橫截面孔隙的數(shù)量在增加,孔隙尺寸也在增大,這些孔隙都是膠料中的揮發(fā)分揮發(fā)后形成的。膠料每一次受熱都會揮發(fā)掉一部分的揮發(fā)分,由于混煉膠壓片及熱煉膠壓片時都有開煉機雙輥的作用壓力,所以膠片橫截面的孔隙較少,孔隙尺寸亦較??；烘烤膠在烘箱中自然狀態(tài)烘烤時,由于沒有壓力的存在,揮發(fā)分能夠更容易地從膠料中揮發(fā)出來,形成的孔隙較多,孔隙尺寸亦較大。這也能夠在一定程度上說明,常壓下烘箱烘烤是一種行之有效的脫除膠料揮發(fā)分的方法,這不僅能夠脫除環(huán)境中吸附來的濕氣,還可以脫除低沸點的增塑劑等。膠料混煉時采用盡量高的排料溫度,在裝模硫化之前,先對膠料進(jìn)行高溫?zé)釤捴婆?再対膠料、骨架等物料進(jìn)行一定溫度、時間下的烘烤,對于提前脫除揮發(fā)分,防止硫化制品產(chǎn)生氣泡是大有益處的。

1.3 硫化參數(shù)設(shè)置不當(dāng)造成的氣泡

橡膠硫化時保持壓力較小或保持壓力時間較短,都會使模腔內(nèi)膠料壓力不足以抑制揮發(fā)分的蒸氣壓力,形成微孔,所以生產(chǎn)中孔隙與欠硫、欠壓常常同時發(fā)生。圖4分別展示了缺膠、欠硫、欠壓等情形下產(chǎn)品內(nèi)部的孔隙狀態(tài)。缺料一定意義上也可以算作壓力不足的一種特殊情形。在橡膠厚制品中,欠硫、欠壓這兩種質(zhì)量缺陷很難從外觀檢查中發(fā)現(xiàn),一般的非破壞性產(chǎn)品性能檢測也很難發(fā)現(xiàn)異常。這類產(chǎn)品很容易“蒙混過關(guān)”成為合格產(chǎn)品,但產(chǎn)品的使用壽命會大打折扣,也增大了使用的安全風(fēng)險。所以厚制品硫化工藝制定時應(yīng)做好充分的驗證工作,使用盡量高的硫化壓力,保證充足的硫化時間,盡量避免過早打開模具。

圖4 橡膠厚制品內(nèi)部多孔狀態(tài)

在厚制品硫化時,為減少硫化時間和防止 外層膠料過硫,在達(dá)到完全硫化之前的某一時刻將產(chǎn)品出模,在橡膠未硫化或欠硫化中心的周圍形成了一層已硫化的橡膠外殼。此時剖開產(chǎn)品,已硫化的橡膠外殼對欠硫內(nèi)部的外壓解除會形成氣泡；如果讓其緩慢冷卻,釋放后硫化效應(yīng)后,再剖開產(chǎn)品則不會出現(xiàn)氣泡。這是因為已硫化的橡膠外殼模量較高,對氣體保持了足夠的外壓,殘余的熱量完成了產(chǎn)品的完全交聯(lián),防止了氣體在內(nèi)部生成氣泡。

1.4 脫氣參數(shù)設(shè)置不佳造成的氣泡

橡膠硫化之前泄壓脫氣是非常必要的,盡管一些膠料配方、硫化工藝及模具結(jié)構(gòu)等配合得恰到好處時,不脫氣也不會產(chǎn)生氣泡,但對于絕大多數(shù)的模型橡膠制品而言,進(jìn)行1～3次的泄壓脫氣對防止氣泡的產(chǎn)生是大有益處的。泄壓脫氣的參數(shù)依據(jù)設(shè)備廠家設(shè)置的不同略有差異,通常最常見的有脫氣次數(shù)、脫氣距離、脫氣等待時間、脫氣停留時間等,抽真空設(shè)備還會有抽真空的設(shè)置。各脫氣參數(shù)的意義及作用如下∶

（1）脫氣次數(shù)∶模具泄壓開模的次數(shù),其作用是通過模具反復(fù)的泄壓、加壓,迫使內(nèi)部氣體向表面遷移,以便匯集后通過合?？p、排氣孔等溢出；（2）脫氣距離∶設(shè)備熱板泄壓開模行走的距離（或時間）,脫氣距離增大有助于氣體順利溢出,尤其是型腔較深及模具起伏較大的模具,但過大的脫氣距離容易將外部氣體卷入；（3）脫氣等待時間∶模具加壓合模至下一次泄壓開模的壓力保持時間,脫氣等待時間內(nèi),模具處于加壓狀態(tài),并且模具的熱量不斷地傳遞給膠料,有助于增加內(nèi)部氣體的壓力,促使氣泡熟化、遷移,脫氣等待時間過后泄壓開模時,由于增加了內(nèi)外氣體的壓力梯度,促使氣體向外溢出,很顯然脫氣等待時間越長越有利于氣體的溢出,但并非越長越好,因為還要考慮膠料的焦燒時間（脫氣等待時間越長,引發(fā)焦燒的危險也就越大）；（4）脫氣停留時間∶設(shè)備泄壓開模行走至距離最大時,設(shè)備停止動作的保持時間,脫氣停留時間能給予膠料內(nèi)部氣體充足的向外溢出時間。

圖5所示為一種錐型襯套的硫化模具,采用注壓成型。試模后發(fā)現(xiàn),如圖6中①所示,硫化產(chǎn)品的a處部位老是出現(xiàn)大的氣泡。經(jīng)分析該產(chǎn)品的橡膠凹陷部位非常深,模具內(nèi)的a處部位難以排氣,才會造成產(chǎn)品氣泡,須給氣體找到一個出路。恰好該產(chǎn)品的內(nèi)骨架為中空結(jié)構(gòu),可以考慮將少量膠料由內(nèi)骨架下端排入內(nèi)骨架中空處（如圖6中②所示）,以便把a處的氣體帶走。能夠?qū)崿F(xiàn)這種效果的方案有兩種∶一種是在模具上開導(dǎo)膠槽；另一種是調(diào)整排氣參數(shù),加強排氣力度。

圖5 錐型襯套硫化模具的結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 錐型襯套硫化模具的局部放大圖

首先,內(nèi)骨架下端的模具須開設(shè)若干條細(xì)小的導(dǎo)膠槽,有助于膠料溢出。但是試模效果不理想,沒有徹底消滅氣泡,需要改善排氣參數(shù),增強排氣力度?？疾炝四z料的焦燒時間,在保證膠料不會焦燒的情況下更改排氣參數(shù)（如表1所示）。試模后效果較好,a處的氣泡問題得到了有效解決。

表1 脫氣參數(shù)設(shè)置前后對比

1.5 硫化模具結(jié)構(gòu)不適造成的氣泡

橡膠模型制品通常含有骨架,設(shè)計硫化模具時應(yīng)當(dāng)確保金屬件在模具型腔內(nèi)取放容易并方便脫模,保證制品外觀的良好。具體到不同結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、不同配方的膠料、不同類型的模具及工藝時,需要不斷優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu),使其與工藝、配方相匹配,以達(dá)到最佳效果。在沒有試模之前,設(shè)計模具時只能根據(jù)理論和設(shè)計者的經(jīng)驗來確定模具的結(jié)構(gòu)及細(xì)節(jié)部分,但這不能保證模具結(jié)構(gòu)一定合理有效。試模往往會暴露出一些意想不到的情況,這就需要根據(jù)問題表現(xiàn)優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)。在此列舉幾個由于模具結(jié)構(gòu)不適造成氣泡的情形,并探索了解決方案。

1.5.1 模具分型面設(shè)置不當(dāng)造成的氣泡

模具的分型面是模具排氣的最重要渠道。分型面不僅影響到了產(chǎn)品取、放的便利性,對氣體的排出也起著決定性作用。分型面的數(shù)量、位置以及形狀都對排氣效果有較大影響。厚制品模具應(yīng)避免單一分型面設(shè)計,因為厚制品往往排出的氣體量較大,單一分型面集中排氣時容易存留氣泡,也容易產(chǎn)生所謂的“燒邊”缺陷。

圖7所示為一個橡膠圈的成型模具,采用注壓成型。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單,采用中間分型的單一分型面結(jié)構(gòu),試模后產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重窩氣現(xiàn)象,出現(xiàn)氣泡的位置大都在圖8中①所示的a處。分析此處的氣泡主要是由于氣體無法及時經(jīng)單一分型面全部排出,分型面處膠皮硫化后封堵了氣體的順利溢出,匯聚形成了氣泡。此時可以考慮在附近增加分型面以解決問題。

為驗證上述分析的正確性,如圖8中②所示,在該分型面處增加一個10 mm厚的墊片,相當(dāng)于在A處增加了一分型面,多余氣體經(jīng)此面沿箭頭方向溢出。經(jīng)試制后產(chǎn)品外觀良好,證明了上述方案的可行性。在后續(xù)類似產(chǎn)品的開發(fā)中,模具結(jié)構(gòu)均按圖8中③所示進(jìn)行分型設(shè)計,在B處增設(shè)分型面,運用效果良好,量產(chǎn)中未出現(xiàn)任何的氣泡問題。

黨的十八大以來，江西堅持破立并舉，一手抓突出環(huán)境污染問題的綜合整治，一手抓生態(tài)建設(shè)和環(huán)境保護(hù)，全省生態(tài)優(yōu)勢得到進(jìn)一步鞏固。

圖8 橡膠圈硫化模具的局部放大圖

1.5.2 模具排氣孔設(shè)置不當(dāng)造成的氣泡

一套模具必備的排氣要素中,除模具分型面之外,排氣孔的設(shè)置非常重要,排氣孔的數(shù)量、位置、形狀等都對排氣效果有著明顯的影響。排氣孔分為盲孔和通孔兩種主要型式,盲孔的作用特點是吸納并存儲氣體,通孔的作用則是通過少量膠料的排出帶走氣體。

圖9所示為一個錐型橡膠疊層彈簧的成型模具,采用壓鑄成型。由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的原因,模具的型腔比較深,模具起伏較大,試模后產(chǎn)品出現(xiàn)嚴(yán)重窩氣現(xiàn)象,出現(xiàn)氣泡的位置大都在圖10中①所示的a、b處。經(jīng)分析,此處的氣泡主要是由于氣體距離分型面較遠(yuǎn)且模具起伏較大,氣體難以擴(kuò)散到分型面處排出,而附近的排氣盲孔A、B又沒有足夠的容納能力來吸收大量的氣體,大量氣體沉淀在此形成了氣泡。此時可以考慮在附近增加排氣孔的排氣容量。

圖9 錐型橡膠疊層彈簧硫化模具的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)經(jīng)驗,加粗、加深排氣盲孔不是一個好的方案。如圖10中②所示,將圖中的盲孔A、B改為通孔,并在底部開設(shè)排膠槽C。通過通孔可將少量的膠料排出,原先在a、b處沉積的氣體可以隨著膠料的溢出一起排出。試模后運用效果良好,量產(chǎn)穩(wěn)定,沒有再出現(xiàn)類似的氣泡問題。

圖10 錐型橡膠疊層彈簧硫化模具的局部放大圖

1.5.3 模具輔助裝置配置不當(dāng)造成的氣泡

成型模具結(jié)構(gòu)確定后,為了產(chǎn)品生產(chǎn)的順利進(jìn)行、勞動強度的降低以及生產(chǎn)效率的提升,需要給模具配置各種輔助裝置,以確保硫化生產(chǎn)順利、高效地進(jìn)行。有時候模具輔助裝置配置不當(dāng)亦會造成產(chǎn)品的一些缺陷。在此介紹一例模具輔助裝置配置不當(dāng)造成的氣泡情形及解決方案。

圖11 疊層彈簧硫化模具的結(jié)構(gòu)示意圖

圖11所示為一個橡膠/金屬疊層彈簧的硫化模具,采用壓鑄成型,其中的5（連接桿裝置）為一組模具運行輔助裝置,其作用是使模具上模與下模連接,開模時利用設(shè)備的動力將壓鑄塞從上模的投料槽中拔出。最初的設(shè)計階段忽略了一些工藝細(xì)節(jié),如圖12中①所示,如果從模具運行的角度考慮,圖中的距離D越小越有利于模具均衡受力,故最初設(shè)計時留了非常小的間隙（D＜1 mm）。試模時發(fā)現(xiàn)（如圖12中②所示）,產(chǎn)品的a處注膠孔處老是出現(xiàn)表層氣泡,其他工藝調(diào)整都無濟(jì)于事。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),由于間隙D過小,使得上、中、下三層模具連為一體,模具泄壓打開排氣時,不能從預(yù)想的上模與中模間打開,只能從壓鑄塞與上模投料槽之間打開。此時就形成了類似“注射器”結(jié)構(gòu),壓鑄塞拔出時形成真空效應(yīng),將已經(jīng)注入模具型腔的膠料經(jīng)注膠孔由a處反向抽出到b處。抽出的膠料使得注膠孔附近a處形成一個空穴,成為氣體濃度梯度的低谷,氣體迅速擴(kuò)散并匯集至此。此時加壓合模時,將抽出的膠料又重新注入型腔,但是此時內(nèi)部空穴處已經(jīng)積存了氣體,注入的膠料不能將氣體消除,并且封堵了氣體溢出的路徑,硫化后發(fā)展為氣泡。解決這個問題只需要消除開模排氣時的抽真空效應(yīng)即可。

圖12 疊層彈簧硫化模具的局部放大圖

根據(jù)該裝置的特點,可考慮調(diào)整D的距離,使得D＞10 mm,便可保障脫氣時在上模與中模間打開。模具調(diào)整后的試模表明,效果良好,氣泡消除,量產(chǎn)中也沒有再出現(xiàn)此類氣泡現(xiàn)象,該問題得到了較好解決。

1.6 膠料用量不當(dāng)造成的氣泡

如圖4中①所示,膠料投放過少甚至缺料的情形通常不會出現(xiàn),膠料投放過多造成產(chǎn)品出現(xiàn)問題的情況則時常出現(xiàn),例如開膠、裂口、氣泡、飛邊厚大等?？鋸堃稽c說,加膠量應(yīng)該是除硫化三要素之外影響產(chǎn)品性能最重要的因素之一。在此僅對加膠量過多造成氣泡的情形進(jìn)行分析。

圖13所示為一個牽引拉桿節(jié)點的硫化模具,采用注壓成型。該模具試模后存在氣泡現(xiàn)象。如圖14中①所示,氣泡出現(xiàn)的位置在a處的注膠孔及排氣盲孔附近。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),膠料用量較多,多余的膠料溢出后匯集到了模具與骨架的孔隙中（b處）,并且?guī)缀跆顫M了整個空間。分析其原因為多余膠料溢滿模具中的空間后,封堵了氣體繼續(xù)溢出的去向。而該模具結(jié)構(gòu)的另一特點為模具壓緊了外骨架,氣體難以經(jīng)外骨架處的分型面溢出,致使氣泡滯留在了模具型腔內(nèi)。解決該問題的思路是給氣體尋找一個合理的去處。

圖13 牽引拉桿節(jié)點硫化模具的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)上述分析,解決此問題的方案可以有兩種∶一種最簡單的方法是不改變模具結(jié)構(gòu),適當(dāng)減少用膠量,以便氣體溢出到模具與骨架形成的孔隙內(nèi),氣泡可以消除,實際量產(chǎn)后發(fā)現(xiàn)效果十分穩(wěn)定。第二種解決方案如圖14中②所示,更改模具配合尺寸,一方面將圖14中②所示的中模C處和哈呋塊D處的分型面高度降低,形成圖中的臺階狀；另一方面使模具壓緊內(nèi)骨架（略微過盈配合）,此時即使膠料用量較多,也可以由外骨架處的分型面溢出,不存在膠料封堵問題,氣泡可以自由溢出,同樣可以保障氣泡的消除。

圖14 牽引拉桿節(jié)點硫化模具的局部放大圖

1.7 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計不當(dāng)造成的氣泡

產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計通常由設(shè)計工程師完成,他們往往對生產(chǎn)工藝不太熟悉,有時候設(shè)計出的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)會對生產(chǎn)工藝造成困難。對產(chǎn)品性能無影響的一些細(xì)節(jié)可根據(jù)工藝執(zhí)行的便利性進(jìn)行適當(dāng)修改,在此介紹一例通過修改產(chǎn)品包膠結(jié)構(gòu)來解決氣泡問題的案例。

圖15所示模具為一系橡膠彈簧的硫化模具,采用壓鑄成型。模具試模后發(fā)現(xiàn)存在氣泡,如圖16中①所示,氣泡的位置出現(xiàn)在模具的A處型面上,該處骨架表面有2 mm的包膠設(shè)計。雖然此處的氣泡并不影響使用性能,但嚴(yán)重影響了產(chǎn)品外觀。觀察發(fā)現(xiàn),此處產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)使得模具形成了一個凹窩結(jié)構(gòu)的脫氣死角,盡管模具設(shè)計時考慮到此處脫氣困難,并已經(jīng)在骨架上方設(shè)置了不少數(shù)量的排氣盲孔,但硫化氣泡存在的位置距離盲孔約5 mm,不論怎樣都無法使得氣泡進(jìn)入盲孔。分析這種情形我們觀察到,在A處型面最上端,也就是A處骨架的最上端,亦設(shè)計了1.5 mm的包膠,該骨架將橡膠分成了兩個孤立的部分,各部分的橡膠不能相互流動,只有該骨架頂端的小間隙可以有少量的膠料移動。由于注膠孔位置的原因,如圖16中①所示,1#注膠孔遠(yuǎn)離A處型面,2#注膠孔正對著A處型面。當(dāng)注膠時,1#注膠孔的膠料向A處型面移動,以實現(xiàn)骨架包膠。但是由于其距離較遠(yuǎn),膠料流到A處型面時的壓力較低,而2#注膠孔距離非常近,注膠壓力較大,骨架右側(cè)的膠漫過骨架頂端,流到了A處型面并與1#注膠孔的膠料匯合。由于膠料流動時會趕著氣體向前移動,使得兩股膠料匯集處的氣體濃度最高,而2#注膠孔過來的膠料壓力較大,兩膠相匯處偏離了骨架正上方的盲孔位置,盲孔內(nèi)部由2#注膠孔的膠料預(yù)先填滿,使得膠料交匯處的氣體沒有去處,形成了氣泡。要解決這種問題,需要給氣體尋找一個出路,但這一點在工藝和模具上都較難實現(xiàn)。

圖15 一系橡膠彈簧硫化模具的結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到產(chǎn)品該處包膠并無太多意義,可以考慮更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu),將此處的包膠去掉。如圖16中②所示,模具A處型面與骨架貼緊,使膠料不能流入,但骨架與模具貼合面總會存有一定的微小間隙,該間隙可以作為氣體的暫存處,而不至于在橡膠上形成氣泡。硫化后骨架沒有包膠處也會有已經(jīng)固化的膠粘劑,可起到防銹作用,對產(chǎn)品沒有任何影響。按此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更改的模具試制后效果較好,量產(chǎn)中該處也沒有繼續(xù)出現(xiàn)氣泡,問題得到了有效解決。

圖16 一系橡膠彈簧硫化模具的局部放大圖

2 結(jié) 語

上述分析的諸多案例均為筆者在生產(chǎn)實踐中遇到,問題的解決方案都經(jīng)過充分驗證,方案的穩(wěn)定性也經(jīng)歷了量產(chǎn)的考驗,均取得了滿意的效果。希望這些氣泡問題的分析方法和解決思路能起到拋磚引玉的作用。氣泡的產(chǎn)生往往不是由單一因素造成的,而是由多方面的原因綜合形成,解決氣泡問題時很難有通用的法則可以遵守,應(yīng)具體問題具體分析。首先確定氣泡產(chǎn)生的根本原因,并根據(jù)原因找到解決問題的思路和方法。解決方案往往也不止一種,最好可以多管齊下。最好能對氣泡的產(chǎn)生進(jìn)行有效預(yù)防,一方面模具設(shè)計時,要做好充分的排氣設(shè)置；另一方面,硫化之前對膠坯等物料作預(yù)烘烤,可以有效排除膠料內(nèi)部的揮發(fā)分,亦是一種預(yù)防制品出現(xiàn)氣泡的手段。

[1] Kasner A I. 橡膠中的氣孔[J].橡膠參考資料，2000，30（6）：48-55；2000，30（8）：38-45.

[2] 王作齡 編譯.橡膠的硫化與成型技術(shù)（六）[J].世界橡膠工業(yè)，2006，33（11）：48-52.

[3] 李強，杜華.橡塑技術(shù)實戰(zhàn)指南[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014: 306-326.

[責(zé)任編輯：朱 胤]

Case Analysis and Solutions for Bubble Problems of Molding Rubber Products

Zeng Fanwei,Sun Junping, Fang Dong, Huang Xiaohong
(Qingdao Sifang Rolling Stock Research Institute Co., Ltd., Qingdao 266031, China)

In this paper,the causes of bubble problems of molding rubber products was analyzed, and the rubber formula, production environment, vulcanization technological parameters, degassing parameters, model structure, mass of rubber, product structure were discussed in detail. Those factors could affect the bubble generating. The example of bubble phenomenon in production was analyzed,and the effective solutions was put forward, so as to provide some ideas and methods for bubble problem solving.

Thick Rubber Products; Degassing Parameter; Vulcanizing Mold; Mass of Rubber; Bubbles

TQ 336

B

1671-8232(2015)09-0025-08

2015-06-09

曾凡偉（1986—）,男,山東濰坊人,碩士,工程師,畢業(yè)于青島科技大學(xué)。目前就職于中國中車青島四方車輛研究所有限公司,從事橡膠硫化工藝、熱硫化粘接工藝的研究與應(yīng)用,以及硫化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化等工作。目前已發(fā)表論文20余篇,參與出版專著2部。